基于SWIPT技术的多天线系统安全通信与能量效率研究

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无线携能通信技术是近几年新兴起的一种绿色通信技术,能够充分挖掘潜藏在射频信号中的能量。在不影响用户正常解码信息的前提下,该技术能够有效将射频信号转化为直流功率,为能量受限设备供电,目前已经成为了热门的研究方向之一。然而,频谱资源的稀缺以及信道衰落等因素的存在,限制了无线携能通信技术的发展。此外,由于无线通信网络的广播特性,用户的个人信息极易被窃听者截获,因此保证用户信息安全也成了携能通信技术所面临的挑战之一。近年来,多天线技术和物理层安全技术的快速发展,为携能通信技术克服以上困难提供了新的思路。基于此,研究携能多天网络的物理层安全问题变得极具现实意义。本文着眼于携能MISO和MIMO网络,在保证信息安全传输的前提下,提出了使能量效率最大化的资源分配算法。本文的具体研究内容,主要分为以下几部分:(1)在下行SWIPT MISO广播网络中,研究了多用户能量效率最大化问题。由于窃听用户的存在,又引入防窃听机制以保证授权用户的信息安全。在能量收集层面,为了防止授权用户能量供应不足和能量转换效率低下等问题,引入了一种新的EH模型,并基于该模型建立一种基于连续凸逼近算法的迭代优化方法,得到了满足用户EH需求所需要的最小传输功率。在此基础上,通过联合优化预编码矩阵、人工辅助噪声协方差矩阵和功率分割因子建立了能量效率最大化问题。由于优化问题的非凸性,本文采用一阶泰勒级数展开法和半定规划,将原问题化解为可解的形式,并设计了一种基于Dinkelbach的两级迭代算法。仿真实验验证了本文所提算法的有效性和可靠性。(2)在下行SWIPT MIMO通信网络中,研究了全局保密能量效率最大化问题。本文将信息安全传输机制引入到目标函数,使其更直观地反映网络安全性能以及资源利用情况。由于原始优化问题的非凸性,首先将分数规划问题等价转化为减法形式,然后利用一阶泰勒级数展开法对一些非凸约束进行转化。根据转化后的问题结构,设计了一种两级迭代优化算法。其次,对于含有窃听信道不确定性区域半径的约束条件,本文利用线性矩阵不等式理论和S-程序对其进行了等价转换。通过仿真实验,最终证明了所提算法的有效性和可靠性,相比于其他基线算法,能够实现最佳的全局保密能量效率。
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